雙通道微波密度濕度檢測儀信號源設(shè)計

作者：孫宏杰(中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽蚌埠 233010) 時間：2021-03-31 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：介紹了一種雙通道微波密度濕度檢測儀信號源的原理,詳細闡述了穩(wěn)幅控制的設(shè)計，并通過分析和實驗說明了制造生產(chǎn)過程中的工藝要求。

作者簡介：孫宏杰(1972—)，男，安徽蚌埠，工程師，工程碩士，研究方向：工業(yè)自動化。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202103/424097.htm

0 引言

煙支的密度和濕度分布是卷煙的一項重要指標，它直接影響煙支的重量、吸阻等指標，并進而影響抽吸過程的口感。對于卷煙企業(yè)來說，進一步優(yōu)化煙支中煙絲的密度和濕度分布，不僅可以提高香煙在卷制過程中的質(zhì)量水平，還有利于降低生產(chǎn)過程中的煙絲用量，因此如何更好地控制煙支的密度和濕度一直是煙廠最重視的問題。

目前，國內(nèi)煙廠的超高速卷接機組都采用的雙通道模式，重量控制系統(tǒng)的傳感器為雙通道微波密度濕度檢測儀，其基本原理是在處理器的控制下，被測量的煙條通過圓柱形諧振腔時，因為每一段煙條的密度和濕度都不一樣，使得電磁場的頻率和幅值都發(fā)生改變，然后被檢波電路測量出來，最后根據(jù)煙絲水分含量與電磁場參數(shù)變化之間的數(shù)學模型，得到每段煙條的密度和濕度，從而計算出重量并提供給重量控制系統(tǒng)，達到控制煙支重量的目的^[1]。

雙通道微波密度濕度檢測儀主要包括控制電路和微波電路兩個組成部分，控制電路部分設(shè)計采用DSP+CPLD 的方案，即數(shù)字電路以大規(guī)?？删幊唐骷橛布脚_，綜合集成整機控制、地址譯碼、時序管理、數(shù)據(jù)處理等功能；微波電路部分信號源的設(shè)計采用DDS+PLL 數(shù)字化設(shè)計方法，鎖相環(huán)路由AD9852、VM950 等器件組成，利用AD9852 可高速切換頻率控制字的特點，得到微波跳頻信號，再經(jīng)功分器產(chǎn)生雙路微波調(diào)頻信號，最后經(jīng)放大穩(wěn)幅處理，輸出滿足要求的微波信號。

1 信號源設(shè)計

傳統(tǒng)的合成信號源設(shè)計是基于模擬分立元件的方法設(shè)計的。采用這種方法設(shè)計所需電路很多，體積比較大，調(diào)試復雜，可靠性差，相噪較高，控制的穩(wěn)定性有所欠缺。由于本產(chǎn)品是雙路輸出，如果按傳統(tǒng)的設(shè)計方法，還需要增加一套信號源電路。因此傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法滿足本產(chǎn)品的設(shè)計要求。

雙通道微波密度濕度檢測儀采用基于DDS+PLL 的合成信號源設(shè)計方案，并且特別地采用對單路合成信號源進行功分并只對其中一路信號源輸出進行取樣穩(wěn)幅控制的方案。使用單路穩(wěn)幅的雙路輸出信號源設(shè)計是本產(chǎn)品設(shè)計低功耗和提高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。這里值得注意的是，要使單路穩(wěn)幅的雙路輸出信號源設(shè)計的方案達到設(shè)計要求，這就必須要求兩個通道的圓柱形諧振腔特性要盡可能一致（如Q 值、諧振頻率等），實際加工腔體時使用加工中心一次裝夾加工成型，對外形尺寸精度以及諧振腔內(nèi)部光潔度有嚴格的要求^[2]，完全可以保證達到設(shè)計要求。

基于單路穩(wěn)幅的雙路輸出信號源設(shè)計的原理如圖1所示。在硬件電路上主要由DDS 控制、鎖相環(huán)、穩(wěn)幅控制、雙通道信號源的功分實現(xiàn)及功率放大等電路構(gòu)成。鎖相環(huán)(PLL) 是整個設(shè)計的關(guān)鍵，由輸入?yún)⒖紩r鐘、低通濾波器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、分頻器及直接數(shù)字合成(DDS) 構(gòu)成，它的好壞對整個電路的輸出有著直接影響，其中鑒相器的作用是將直接數(shù)字合成的輸出頻率和參考頻率進行鑒相，環(huán)路濾波器的作用是濾除相位固定的鑒相器輸出信號的高頻分量，然后去控制壓控振蕩器的輸出，使其鎖定在需要的頻率上。本設(shè)計中，DDS 選用的是ADI 公司的AD9852，其內(nèi)部包括兩個12 位的D/A 轉(zhuǎn)化器，14 位可編程相位偏置寄存器，48 位的可編程頻率控制寄存器，系統(tǒng)的最高時鐘范圍可以達到300 MHz，DDS 通過單片機PIC16F877 控制其串行接口，并得到所需環(huán)路參考電壓以及頻率控制字；鑒相器選用Hittite 公司（編者注：已被ADI 收購）生產(chǎn)的一款數(shù)字鑒頻鑒相器HMC439，其鑒頻鑒相頻率為10 ～ 1 300 MHz，具有超低的單邊帶調(diào)制相噪基底，由于是電壓型輸出，輸出頻帶相當寬，所需的VCO 要求有很寬的調(diào)諧范圍（0 ～ 20 V），VCO 選用的ZCOM公司的VM950，輸出頻率范圍(4.9 ～ 6.5) GHz。

2 信號源的穩(wěn)幅控制

影響信號源幅度變化的因素很多，包括負載、電源、環(huán)境等的變化，而信號源輸出幅度的不穩(wěn)定，又直接會使測量結(jié)果不準確，所以一般微波信號源都采用負反饋控制環(huán)路來穩(wěn)幅。在穩(wěn)幅電路的負反饋控制環(huán)路中，壓控衰減器接收微波信號輸入，經(jīng)射頻放大電路后，由耦合器或功分電路將其中的一部分功率分配給檢波器，最后檢波電壓和參考電壓經(jīng)過求和積分運算，形成調(diào)節(jié)壓控衰減器衰減量的控制電壓，使信號輸出功率恒定。

目前，雙通道微波信號源的設(shè)計，多數(shù)采用的方法是兩組獨立的電路，其優(yōu)點是兩路信號完全獨立，互相之間沒有干擾，缺點是使用器件數(shù)量增加，降低了可靠性，同時兩組器件參數(shù)的不一致也給兩路信號帶來差別，另外控制電路需要對兩路信號分別控制，也加大了處理器的負擔。

本設(shè)計采用單路信號通過功分器產(chǎn)生雙路信號，把電調(diào)衰減器放置在功分器之前，同時通過對其中一個通道的輸出采用耦合器取樣的方式進行穩(wěn)幅檢波的穩(wěn)幅控制電路，如圖1 所示。電調(diào)衰減器負責接收前級輸出和經(jīng)檢波運算輸出的兩路信號，并將幅度調(diào)節(jié)到預置范圍內(nèi)；功分器采用表面貼裝的小尺寸集成電路，負責將輸入信號分為兩路為輸出信號；功率放大分為前級放大和中功率放大，其作用一是用于補償前級的插入損耗，二是將輸出信號的功率放大到系統(tǒng)所需的范圍；低通濾波器采用7 階階躍阻抗，在印制板上通過微帶線繪制，用于濾除高頻噪聲；穩(wěn)幅檢波電路由定向耦合器和一對檢波二極管組成，分別負責對輸出信號和對地進行檢波；積分求和運算的信號輸入端分別連接檢波器的耦合檢波和對地檢波的輸出，并對兩路信號進行積分求和，得到電調(diào)衰減器控制信號。為了保證輸出信號的穩(wěn)定，穩(wěn)幅采樣盡量的靠近了信號輸出端，同時為了減小環(huán)境溫度的變化對信號輸出的影響，在電路中增加了溫度補償。

此設(shè)計的優(yōu)點是簡化了電路，減輕了處理器的工作量，增加了系統(tǒng)的可靠性；缺點是兩路信號之間的共用電路增多了，更加容易產(chǎn)生兩者之間的干擾^[3]。

單路穩(wěn)幅原理框圖如圖2a 所示，信號輸入進入壓控衰減器后再進行二功分，將單路信號變換為雙路信號，然后各自進行功率放大，最后對其中一路進行耦合采樣，經(jīng)比例、積分運算后送入壓控衰減器對輸出信號進行功率調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)幅作用；雙路穩(wěn)幅原理框圖如圖2b 所示，信號輸入經(jīng)二功分變換為雙路信號，每路信號經(jīng)壓控衰減器后再進行功率放大，最后分別對輸出信號進行耦合采樣，經(jīng)比例、積分運算后分別送入各自的壓控衰減器進行功率調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)幅作用。

在開發(fā)過程中，為摸索單路穩(wěn)幅和雙路穩(wěn)幅對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給系統(tǒng)采用單路或雙路穩(wěn)幅設(shè)計提供依據(jù)，對具有單路和雙路穩(wěn)幅功能的兩臺實驗機在同一高低溫實驗箱中，在不同的溫度和濕度條件下進行穩(wěn)定性測試，記錄反映穩(wěn)定性指標的AC 和DC 值。首先設(shè)置高低溫環(huán)境實驗箱溫度40℃，濕度35%，等到溫、濕度完全平衡，雙通道微波密度檢測儀實驗機溫濕度完全穩(wěn)定并在此溫濕度條件下運行3 h 后，利用測試軟件測量單、雙穩(wěn)幅雙通道微波密度檢測儀通道1 和通道2 的AC、DC 數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)見表1，折線圖見圖3。

實驗中設(shè)置的參考AC、DC 值分別為192 和361，從表1 測試數(shù)據(jù)看出，只有在高低溫環(huán)境實驗箱的溫濕度由40℃，0% 變化到0℃，0% 階段，單穩(wěn)微波密度檢測儀通道2 的DC 較參考值變化較大，通過分析：單路穩(wěn)幅微波密度檢測儀耦合采樣一路輸出信號來同時穩(wěn)定兩路輸出信號，需要兩路信號使用的元器件參數(shù)及布線一致性較高。在后續(xù)的改進過程中，一是印制板的繪制，不僅要保證功分電路兩個輸出通道走線要嚴格的等長，而且為防止它們之間出現(xiàn)相互串擾，還需加屏蔽進行保護；二是兩個通道的諧振腔特性要盡可能一致（如Q 值、諧振頻率等），實際加工腔體時使用加工中心一次裝夾加工成型，對外形尺寸精度以及諧振腔內(nèi)部光潔度有嚴格的要求。